明槽湍流非均匀推移质泥沙输运机制与积分模式

明槽湍流输沙现象普遍发生于地表水环境，在水灾害防御、水工程以及水环境与水生态学研究等领域具有重要意义。近半个多世纪明槽湍流输沙研究取得了显著进步，但这些进步集中于理想化的均匀沙输移问题。迄今对非均匀推移质泥沙运动规律和特性的认识还远未清楚，制约了明槽湍流输沙基础理论的发展。本项目将通过基础理论研究、水槽实验和精细数学模拟等手段研究非均匀推移质泥沙在明槽定常、不定常湍流作用下的输运机制；建立基于河床表面特性的、流动与河床之间非均匀沙交换模式，从而建立明槽湍流、非均匀推移质泥沙输移与河床演化的耦合(水深)积分模式理论；发展申请者最近提出的冲积河流多重时间尺度理论，揭示非均匀推移质泥沙运动积分时间尺度特征与挟沙力概念的近似适用条件。本项目所研究的湍流输沙代表一类典型的多组份、多过程、多尺度流动，是环境流体力学领域的重要科学问题，具有显著的科学意义和应用前景。

长期以来，对明槽非均匀推移质泥沙运动机制与规律的理解还非常有限，制约了泥沙运动基础理论的发展。本项目通过理论研究、水槽实验和精细数学模拟，重点研究了明槽非均匀推移质泥沙运动与河床演化的机制与规律。首先，进行了一系列恒定流、非恒定流作用下非均匀推移质输移水槽试验，获得了系统的实验数据，揭示了粗颗粒对细颗粒运动的抑制作用以及细颗粒对粗颗粒运动的促进作用；还揭示了非恒定流相对于恒定流对非均匀推移质运动的促进效应。不仅如此，这些观测数据资源对将来进一步研究非均匀推移质输移与河床组分变化的机制与规律也有重要价值。其二，基于浅水动力学框架，建立了明槽水流、非均匀推移质运动与河床演化的耦合积分模式理论。其三，基于该模式理论，分析了水-沙-床之间相互作用的时间尺度特征，对典型推移质输移实例进行了数值模拟研究，揭示了非均匀推移质挟沙力概念与饱和数学模型的有条件适用性。特别地，在圆满实现原定研究计划的基础上，建立了明槽双层积分平均水沙耦合数学模型，为深入研究冲积河流水沙动力学过程提供了新的模式理论。迄至本项目结题日，已经正式发表学术期刊 SCI 论文共7篇、录用待刊1篇（共计8篇）；湖北省优秀博士学位论文1篇。另已投稿或完成（尚待发表 SCI 学术期刊）论文共3篇。